KR102332811B1 - 연료전지 촉매연소 버너의 폐열을 이용한 액상화합물 기반 수소저장 시스템 및 그 운용방법 - Google Patents

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Abstract

액상화합물 기반 수소저장 시스템으로, 수소를 저장하는 액상화합물(LOHC)을 수용하는 저장기(100); 상기 저장기(100)로부터 액상화합물 및 열을 공급받아 상기 액상화합물로부터 수소를 분리하는 탈수소화 반응기(200); 상기 탈수소화 반응기
(200)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지(300); 상기 연료전지(300)로부터 공급되는 수소 또는 연료전지로부터 배출되는 잔여수소와, 산소를 공급받아 반응시켜 연소열을 발생시키는 촉매연소버너(400); 및 상기 촉매 연소버너(400)에서 발생한 연소열을 상기 탈수소화반응기(200)로 공급하는 열공급라인 (500)을 포함하는 것을 특징으로 하는 액상화합물 기반 수소저장 시스템이 제공된다.

Description

연료전지 촉매연소 버너의 폐열을 이용한 액상화합물 기반 수소저장 시스템 및 그 운용방법{System for liquid organic hydrogen carrier using waste heat from catalytic combustion burner in fuel cell and operation method for the same}
본 발명은 연료전지 촉매연소 버너의 폐열을 이용한 액상화합물 기반 수소저장 시스템 및 그 운용방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 연료전지 시스템의 촉매연소 버너로부터의 폐열을 수소저장 시스템에서의 탈수소화 반응에 필요한 반응열로 공급하여 외부 에너지 필요량을 감소시키면서 액상화합물 기반 수소저장 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 연료전지 촉매연소 버너의 폐열을 이용한 액상화합물 기반 수소저장 시스템 및 그 운용방법에 관한 것이다.
2015년 기후변화를 억제하기 위한 제 21차 유엔기후변화협약 당사국총회 (COP21)에 195개국이 지구 온도 상승을 2℃ 이내로 억제하기 위한 계획에 서명함에 따라 우리나라도 동참하게 되었다. 기후변화 억제를 위해서는 에너지전환이 필수적이며, 모든 산업은 해당 분야에서 탈탄소화의 필요성에 직면했다. 이를 위하여 새로운 수소가 새로운 에너지원으로 부각되고 있다.
이러한 수소의 생산 후 저장하는 기술로 액상화합물 기반 수소저장기술(Liquid organic hydrogen carrier, LOHC)이 대두되고 있다. 액상화합물 기반 수소저장기술은 벤젠, 톨루엔, 다이벤질 톨루엔 등의 방향족 화합물에 수소를 화학반응 시킴으로서 화학적 방법으로 수소를 저장하는 방식으로, 높은 수소저장밀도, 상압 수소저장을 통한 저장안전성 확보, 액체상 수소저장을 통한 취급의 용이성 등을 확보할 수 있는 장점이 있다.
액상화합물 기반 수소저장기술은 리튬이온 배터리와 비교하여 4배 이상이고, 압축수소 방식에 비해 2배 이상의 수소저장 밀도를 가진다. 이와 같은 장점으로 인하여, 도 1과 같이 신재생에너지로부터 생산된 수소를 액상화합물 형태로 저장하여 에너지 저장장치로 활용하고자 하는 연구가 이어지고 있다(하기 선행기술문헌 참조)
일반적으로 이러한 LOHC 시스템에서 탈수소화 반응은 약 64kJ/mol H2의 큰 반응열을 필요로 하는 반응이므로, 외부로부터 고온의 열에너지가 공급되어야 하지만, 이러한 액상화합물 기반 수소저장 시스템에 수소 방출에 필요한 열에너지를 효과적으로 공급하는 시스템은 아직 개시되지 못한 상황이다.
1. 액체 화합물 및 이를 수소 저장소로 사용하는 방법: 1019543050000 (2019.02.26) 2. 촉매 펩타이드 형성 및 수소화에 기초한 액체-유기 수소 캐리어 시스템: 1020177008895 (2015.09.03.) 3. 액상 수소저장물질 및 이를 이용한 수소 저장 방법: 1020160126557 (2016.09.30.) 4. 피리딘계 수소저장 물질을 활용한 수소 저장 및 방출 시스템: 1020160116140 (2016.09.09)
따라서, 본 발명이 해결하는 과제는 탈수소화 반응시 필요한 외부 열에너지를 효과적으로 공급시켜 전체적인 에너지 효율이 향상된 액상화합물 기반 수소저장 시스템 및 그 운용방법을 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명은,
수소를 저장하는 액상화합물(LOHC)을 수용하는 저장기(100);
상기 저장기(100)로부터 액상화합물 및 열을 공급받아 상기 액상화합물로부터 수소를 분리하는 탈수소화 반응기(200);
상기 탈수소화 반응기(200)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지(300); 및
상기 연료전지(300)로부터 공급되는 수소 또는 연료전지로부터 배출되는 잔여수소와, 산소를 공급받아 반응시켜 연소열을 발생시키는 촉매연소버너(400); 및
상기 촉매연소버너(400)에서 발생한 연소열을 상기 탈수소화반응기(200)로 공급하는 열공급라인(500)을 포함하는 것을 특징으로 하는 연료전지 촉매연소 버너의 폐열을 이용한 액상화합물 기반 수소저장 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 액상화합물 기반 수소저장 시스템은 상기 탈수소화 반응기(200)로 반응에 필요한 열에너지를 공급하는 열에너지 공급수단(600)을 더 포함하며, 상기 열에너지 공급수단(600)은 상기 열공급라인 (500)을 통하여 상기 촉매연소버너(400)로부터 열에너지가 공급되기 전 상기 탈수소화 반응기(200)에 열을 공급하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은,
상기 열에너지 공급수단(600)으로부터 상기 탈수소화 반응기(200)에 반응열을 공급하여 탈수소화 반응을 진행하는 단계;
상기 탈수소화 반응에 따라 생산된 수소를 공급받아 상기 연료전지(300)로부터 전력을 생산하는 단계;
상기 연료전지(300)로 공급되는 수소 또는 연료전지의 동작 후 배출되는 잔여 수소를 공급받아 상기 촉매연소버너(400)에서 연소시키는 단계;및
상기 촉매연소버너(400)로부터 배출된 연소가스로부터 열에너지를 상기 탈수소화 반응기(200)에 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 액상화합물 기반 수소저장 시스템 운용방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, 종래에 여러 장치에 도입되어 왔으나, LOHC와 연계한 경우가 없었던 촉매연소 버너를 활용하여 액상화합물 기반 수소저장 시스템의 탈수소화 반응의 반을열을 제공한다. 특히 촉매연소 버너는 연료전지에 공급되는 일부의 수소, 혹은 연료전지에서 필연적으로 발생하게 되는 사용되지 않은 잔여수소 연소시켜 열을 확보하며, 이렇게 확보된 열을 이용하여 액상화합물 기반 수소저장 시스템의 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 모식도이다.
도 2 및 3은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 탈수소화반응-연료전지 통합 시스템에 대한 아스펜(ASPEN) 모델, 탈수소화 반응시 필요 열에너지 변화와 촉매연소버너로부터 공급되는 열에너지를 시뮬레이션한 결과이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 액상화합물 기반 수소저장 시스템의 모식도이다.
도 5는 상술한 액상화합물 기반 수소저장 시스템 운용방법의 단계도이다.
이하, 본 발명에 따른 액상화합물 기반 수소저장 시스템 및 그 운용방법의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들에 의거하여 상세히 설명한다. 참고로, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어와 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석해야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템의 모식도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 액상화합물 기반 수소저장 시스템으로, 수소를 저장하는 액상화합물(LOHC)을 수용하는 저장기(100); 상기 저장기(100)로부터 액상화합물 및 열을 공급받아 상기 액상화합물로부터 수소를 분리하는 탈수소화 반응기(200); 상기 탈수소화 반응기(200)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지(300); 상기 연료전지(300)로부터 공급되는 수소 또는 연료전지로부터 배출되는 잔여수소와, 산소를 공급받아 반응시켜 연소열을 발생시키는 연소버너(400); 상기 촉매연소버너(400)에서 발생한 연소열을 상기 탈수소화반응기
(200)로 공급하는 열공급라인(500)을 포함한다.
본 발명은 액상화합물 기반 수소저장 시스템과 연료전지를 통합시켜, 상기 액상화합물 기반 수소저장 시스템으로부터 발생한 수소를 이용, 전력을 생산하고, 이때 공급되는 수소 또는 연료전지로부터 배출되는 잔여수소로 탈수소화 반응에 필요한 반응열을 생산하다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 반응열을 생산하는 것은 산소와 수소를 반응, 연소시킬 수 있는 촉매 기반의 촉매연소버너이다. 예를 들어 촉매연소버너는 대한민국 등록특허 10-0522435호 등에 개시된 바와 같이 다양한 형태일 수 있으며, 적어도 수소+산소의 반응, 연소가 가능하다면 이는 모두 본 발명의 범위에 속한다.
또한, 본 발명에서, "액상화합물"이라 함은 액체 유기 수소 운반체(liquid organic hydrogen carrier, LOHC)를 의미하는 것으로, 액체 상태 화합물에 수소를 결합하여 저장 및 운송하는 물질이다. 특히, 이러한 액체 유기 수소 운반체는 부피당 에너지밀도가 낮은 수소기체를 액체 형태로 바꿔 효율적으로 저장 및 운송이 가능할 수 있다. 이러한 기술을 활용하면 압축 수소 대비 무게 1/5, 부피 1/3 수준으로 같은 양의 수소 저장이 가능할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 열공급라인(500)은 상기 촉매연소버너(400)로부터 배출되는 상온을 초과하는 고온의 연소가스가 직접 상기 탈수소화 반응기(200)와 접촉하여 열 에너지를 상기 탈수소화 반응기(200)에 공급할 수 있다.
이와는 달리 상기 열공급라인(500)은, 상기 촉매연소버너(400)로부터 배출되는 고온 연소가스로 열교환기 등에서 가열된 별도의 매질(예를 들어 물)이 주입되며, 상기 별도 매질이 주입된 열공급라인(500)은 상기 촉매연소버너(400)로부터 배출되는 고온 연소가스로 가열되어, 상기 탈수소화 반응기(200)와 접촉, 열 에너지를 상기 탈수소화 반응기(200)에 공급한다.
즉, 본 발명에서 연료전지는 1) 탈수소화반응기로부터 발생한 수소를 사용하는 수소 사용수단 2) 탈수소화반응에 필요한 열에너지를 공급하는 에너지 공급수단으로 사용된다.
도 2 및 3은 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 탈수소화반응-연료전지 통합 시스템에 대한 아스펜(ASPEN) 모델, 탈수소화 반응시 필요 열에너지 변화와 촉매연소버너로부터 공급되는 열에너지를 시뮬레이션한 결과이다.
도 2를 참조하면, 연료전지와 탈수소화 반응기 사이에는 생산된 수조를 정제하는 별도의 정체 장치가 구비되며, 도 2의 모델에 따른 폐열 사용시의 열에너지 변화를 측정한 결과는 도 3이다.
도 3을 참조하면, 촉매연소버너는 필요한 열부하(heat duty)를 만족시킬 수 있는 것을 알 수 있다.
특히 도 3의 결과로부터, 촉매연소 버너(400)를 사용하지 않는 경우 필요한 86KJ/mol H2의 반응열은, 촉매연소 버너(400)를 사용하는 경우 14KJ/mol H2까지 낮출 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예는 연료전지 동작 초기 단계에서의 불충분한 폐열을 보충하기 위하여 별도의 외부버너와 같은 별도의 에너지 공급수단을 사용한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 액상화합물 기반 수소저장 시스템의 모식도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액상화합물 기반 수소저장 시스템은, 도 1과 동일한 구성에 상기 탈수소화 반응기(200)로 반응에 필요한 열에너지를 공급하는 열에너지 공급수단(600)을 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 열에너지 공급수단(600)은 촉매연소 버너와 달리 별도로 탈수소화 반응기(200)에 열을 공급하는 장치로서, 초기 수소가 촉매연소버너(400)로 공급되지 않는 경우, 상기 탈수소화 반응기(200)에 반응열을 공급한다.
도 5는 상술한 액상화합물 기반 수소저장 시스템 운용방법의 단계도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 액상화합물 기반 수소저장 시스템 운용방법은, 상술한 열에너지 공급수단(600)으로부터 상기 탈수소화 반응기(200)에 반응열을 공급하여 탈수소화 반응을 진행하는 단계; 상기 탈수소화 반응에 따라 생산된 수소를 공급받아 상기 연료전지(300)로부터 전력을 생산하는 단계; 상기 연료전지(300)로 공급되는 수소 또는 연료전지의 동작 후 배출되는 잔여 수소를 공급받아 상기 촉매연소버너(400)에서 연소시키는 단계;및 상기 촉매연소버너(400)로부터 배출된 연소가스로부터 열에너지를 상기 탈수소화 반응기(200)에 공급하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 방법은, 상기 촉매연소버너(400)의 배출가스로부터 열에너지를 상기 탈수소화 반응기(200)에 공급함에 따라, 상기 촉매연소버너 (400)의 배출가스로부터 공급되는 열에너지에 의하여 상기 열에너지 공급수단(600)으로부터 공급되는 반응열량이 결정될 수 있다.
즉, 상기 열에너지 공급수단(600)은 연료전지의 초기 운전에 필요한 수소를 생산하기 위하여 탈수소화 반응기(200)에 반응시 필요한 열을 공급하게 되며, 촉매연소버너(400)로부터 배출되는 연소가스로부터의 열 공급이 진행됨에 따라, 상기 열에너지 공급수단(600)으로부터 공급되는 반응열량이 상기 촉매연소버너 (400)의 배출가스로부터 공급되는 열에너지에 의해 결정될 수 있다.

Claims (9)

  1. 액상화합물 기반 수소저장 시스템으로,
    수소를 저장하는 액상화합물(LOHC)을 수용하는 저장기(100);
    상기 저장기(100)로부터 액상화합물 및 열을 공급받아 상기 액상화합물로부터 수소를 분리하는 탈수소화 반응기(200);
    상기 탈수소화 반응기(200)로부터 수소를 공급받아 전력을 생산하는 연료전지(300); 및
    상기 연료전지(300)로부터 공급되는 수소 또는 연료전지로부터 배출되는 잔여수소와, 산소를 공급받아 반응시켜 연소열을 발생시키는 촉매연소버너(400); 및
    상기 촉매연소버너(400)에서 발생한 연소열을 상기 탈수소화반응기(200)로 공급하는 열공급라인(500)을 포함하며,
    상기 탈수소화 반응기(200)로 반응에 필요한 열에너지를 공급하는 열에너지 공급수단(600)을 더 포함하며, 상기 열에너지 공급수단(600)은 상기 열공급라인 (500)을 통하여 상기 촉매연소버너(400)로부터 열에너지가 공급되기 전 상기 탈수소화 반응기(200)에 열을 공급하며,
    상기 촉매연소버너(400)의 배출가스로부터 열에너지를 상기 탈수소화 반응기(200)에 공급함에 따라, 상기 촉매연소버너 (400)의 배출가스로부터 공급되는 열에너지에 의하여 상기 열에너지 공급수단(600)으로부터 상기 탈수소화 반응기(200)로 공급되는 반응열량이 결정되는 액상화합물 기반 수소저장 시스템
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매연소버너(400)는 상기 수소와 산소를 반응시킬 수 있는 촉매가 구비된 촉매연소버너인 것을 특징으로 하는 액상화합물 기반 수소저장 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 열공급라인(500)은 상기 촉매연소버너(400)로부터 배출되는 고온 가스가 상기 탈수소화 반응기(200)와 직접 접촉하는 것을 특징으로 하는 액상화합물 기반 수소저장 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 열공급라인(500)은, 상기 촉매연소버너(400)로부터 배출되는 고온 가스로 가열된 별도의 매질이 주입되며, 상기 별도 매질이 주입된 열공급라인(500)은 상기 탈수소화 반응기(200)와 접촉하여 열 에너지를 상기 탈수소화 반응기(200)에 공급하는 것을 특징으로 하는 액상화합물 기반 수소저장 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 연료전지는 수소를 사용하는 연료전지인 것을 특징으로 하는 액상화합물 기반 수소저장 시스템.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 따른 액상화합물 기반 수소저장 시스템을 이용한 액상화합물 기반 수소저장 시스템 운용방법으로,
    상기 열에너지 공급수단(600)으로부터 상기 탈수소화 반응기(200)에 반응열을 공급하여 탈수소화 반응을 진행하는 단계;
    상기 탈수소화 반응에 따라 생산된 수소를 공급받아 상기 연료전지(300)로부터 전력을 생산하는 단계;
    상기 연료전지(300)로 공급되는 수소 또는 연료전지의 동작 후 배출되는 잔여 수소를 공급받아 상기 촉매연소버너(400)에서 연소시키는 단계;및
    상기 촉매연소버너(400)로부터 배출된 연소가스로부터 열에너지를 상기 탈수소화 반응기(200)에 공급하는 단계를 포함하며,
    상기 촉매연소버너(400)의 배출가스로부터 열에너지를 상기 탈수소화 반응기(200)에 공급함에 따라, 상기 촉매연소버너 (400)의 배출가스로부터 공급되는 열에너지에 의하여 상기 열에너지 공급수단(600)으로부터 공급되는 반응열량이 결정되는 것을 특징으로 하는 수소저장 시스템 운용방법.
  8. 삭제
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 연료전지는 수소를 사용하는 연료전지인 것을 특징으로 하는 수소저장 시스템 운용방법.

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